这学期，我选了一门课——应用物理生物学基本原理，教授的名字叫做Dan Czajkowsky，他为人友善，活泼风趣，讲课时能用理论结合实际，从每一个学生的课题出发，带领我们提问题、思考以及讨论。我在这门课上受益良多，也想把这位教授讲的关于外泌体的分子含量以及作用效果的估算分享给大家。

　　首先，外泌体中有多少蛋白质、mRNA以及miRNA呢？

　　我们都知道，外泌体的大小约为30-150 nm，有的文章会说是30-100 nm或者30-200 nm，这里我们就取30-150 nm。考虑到磷脂双分子层大概有5 nm厚，因此体腔的半径大约为10-70 nm。


　　如果外泌体被受体细胞吸收，其中的蛋白质会对受体细胞造成多大的影响呢？换言之，外泌体中的蛋白质数量在受体细胞中的浓度有多大，是否可以达到起作用的浓度？


　　0.01-0.9 nM这个浓度实在是太小了，之前Dan老师在课堂上举的例子中，配体蛋白的浓度基本都要达到1 nM以上，才能与受体蛋白结合发挥作用。有一个值Kd的定义为当受体被结合的概率达到50%的时候配体的浓度，例如，在HIV的壳膜蛋白GP120结合免疫细胞膜蛋白CD4的实验中，Kd为1.46 nM。怎么计算Kd在这里我就不赘述了，只是举个例子比较一下，说明单个外泌体中的蛋白质并不能对受体细胞造成大的影响。

　　那么，如果单个受体细胞吸收100个以上的外泌体，这时的外泌体蛋白数量在受体细胞中将达到1-90 nM，这个浓度就足够外泌体在受体细胞中发挥生物功能了。

　　我们也可以考虑一下不同大小的细胞，免疫细胞的体积是远远小于人体细胞的平均大小的，淋巴细胞大约为，中性粒细胞大约为，在这个小了大概20-46倍的体积下，单个外泌体蛋白质在免疫细胞中的浓度将变为0.2-18 nM或0.46-41.4 nM；如果考虑更小的血小板，大约，体积小了1000倍，那么单个外泌体的蛋白质在血小板细胞中就可以达到10-900 nM的浓度！大的细胞，比如巨核细胞（骨髓），体积大约为，那么100个外泌体的蛋白质在巨核细胞中也只能达到0.0015-0.135 nM的浓度，大概10万个外泌体才能在巨核细胞中发挥作用。在比如脂肪细胞，体积大约为，那么100个外泌体的蛋白质在其中的浓度为0.01-0.9 nM，脂肪细胞需要吸收大约1万个外泌体才能发生改变。因此，我们可以得出结论，一定数量的外泌体对免疫细胞等体积小的细胞的影响要远远大于对脂肪细胞等大细胞的影响。

　　假设外泌体中包含的全部是mRNA。

　　人体内mRNA大约是200-2500 nt（nucleotides），以每个核苷酸大约0.34 nm来算，单条mRNA展开的总长度Ltotal大约是68-850 nm。Dan老师之前讲过一个公式，DNA/RNA或蛋白质因为熵增而折叠之后的半径，其中为持久性长度。利用这个公式，以及RNA的持久性长度约为2 nm，可以计算得到单个mRNA分子的半径约为16.5-58.3 nm。上面我们说过外泌体体腔的半径约为10-70 nm，所以，单个外泌体大约包含1-2个mRNA，这个数量是非常少的。考虑到外泌体的异质性以及腔体内还有其他分子存在，也许某些外泌体中甚至没有mRNA。但是外泌体中一个RNA分子如果能在受体细胞中被翻译35-3000次，它就可以达到与外泌体中的蛋白质一样的作用效果。

　　假设外泌体中包含的全部是microRNA。

　　microRNA（miRNA）是一种长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA分子，根据上面讲过的公式，可以计算出miRNA的半径约为5.5 nm，体积为
　　用外泌体的体积除以单个miRNA的体积，可以得出单个外泌体中大约含有6-2100个miRNA。由于miRNA可以靶向目的mRNA，诱导其降解，所以这个转录后调控的机制也可以放大单个miRNA分子的作用，也许miRNA分子可以调控受体细胞中一百倍数量的mRNA分子降解。因此单个外泌体中miRNA的数量与蛋白质相当，并且作用效果比蛋白质明显，所以外泌体中的miRNA可以发挥更大的细胞间交流的作用。

　　接下来，外泌体的膜上有多少蛋白质呢？

　　我们可以估算一下一般细胞膜上单位面积有多少膜蛋白。利用大肠杆菌的模型，我们可以知道大肠杆菌的膜表面积约为，总的膜蛋白约有个，细胞膜是双层的，因此一个膜蛋白大约占
　　以经典的真核细胞——成纤维细胞（fibroblast）为例，将其当作一个圆柱体，底面半径约为25 μm，高约为4 μm，则其细胞膜表面积约为4500，因此成纤维细胞的细胞膜上大约有个膜蛋白。


　　除以12，单个外泌体的膜蛋白大约有100-5000个，占成单个纤维细胞膜蛋白的0.00125-0.000025%。

　　最后，假设外泌体中包含的蛋白质为转录因子，并且可以进入到受体细胞的细胞核中发挥作用，那么是否有足够多的转录因子结合到它的结合位点发挥作用？

　　利用我们之前算出的一些数字，单个外泌体中有个35-3000个蛋白，在受体细胞中浓度为0.01-0.9nM，以及Dan老师讲的一个公式配体与受体结合的概率
　　，其中c为配体的浓度，c0为一个常数0.6M。以及一个特殊的转录因子与结合位点结合的能量为
　　我们可以得出单个外泌体的转录因子与受体细胞的结合位点结合的概率约为0.036-3.14%。如果单个受体细胞吸收了100个外泌体，那么外泌体的转录因子与受体细胞的结合位点结合的概率则上升为3.47-76.42%。

　　最后总结一下，无论是外泌体传递的是蛋白质还是RNA，单个外泌体发挥的作用都微乎其微，只有超过100个外泌体差不多同时被单个受体细胞吸收，才能有效发挥其生物功能。但是这只是理论情况，实际情况还是要以实验结果为准。

　　最后的最后，还是要感谢Dan老师，谢谢他教我从另一个定量生物学的角度思考生物过程，将理论与我的课题——外泌体联系在一起，融会贯通，也让我对外泌体的功能有了更深的理解。在这里，我将Dan老师教的内容分享给大家，希望对大家的研究有所帮助！